張風(fēng)玲，雷海東

（中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司西安分公司，西安710000）

1 項(xiàng)目概況

本工程為渭南市熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱一期工程，一級熱水管網(wǎng)總長約42km，管徑為250～1400mm，主要解決渭南臨渭區(qū)和高新北部區(qū)域供熱問題。管道跨越渭河段采用廊橋方式架空敷設(shè)，該段管道管徑為1420mm（壁厚10mm），橋頭部位需設(shè)置管道固定支座，預(yù)期該支座采用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在服役期內(nèi)將承受最大1800k N的水平推力。故本文將依據(jù)具體工況對橋頭部位固定支座進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 靜力設(shè)計(jì)

依據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]進(jìn)行該熱力固定支座的設(shè)計(jì)以及焊縫承載力驗(yàn)算。其中，鋼板采用Q235-B級、焊縫依據(jù)具體形式施焊。首先通過下式進(jìn)行焊縫承載力靜力計(jì)算，初步進(jìn)行支座設(shè)計(jì)。

式中，σ為應(yīng)力；τ為剪應(yīng)力；ftw為對接焊縫抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

式中，σf為垂直于焊縫長度的應(yīng)力；τf為沿焊縫長度的剪應(yīng)力；ffw為角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；茁f為正面角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值增大系數(shù)，按規(guī)范取值。

該支座設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 供熱管道固定支座設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中由于各處焊縫處于復(fù)雜的多向應(yīng)力狀態(tài)，僅通過靜力計(jì)算難以真實(shí)反映焊縫應(yīng)力狀態(tài)，本文通過ABAQUS建立該固定支座有限元分析模型，精確研究了該固定支座焊縫應(yīng)力狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)變形形態(tài)，對其進(jìn)行大推力作用下的承載能力驗(yàn)算。

2.2 精細(xì)化有限元分析模型

依據(jù)上述固定支座設(shè)計(jì)方案，本文基于ABAQUS有限元平臺建立固定支座精細(xì)化有限元分析模型，包含管道、橫隔板、加勁肋及焊縫等實(shí)體單元。

鋼板及管道采用Q235鋼，其初始彈性模量為E=2.06×105N/mm，泊松比為0.3，質(zhì)量密度7850kg/m3，抗拉強(qiáng)度為滓0=205MPa，屈服強(qiáng)度為滓y=225MPa，極限抗拉強(qiáng)度為滓u=370MPa。

建模時盡可能按照實(shí)際施工工藝進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬，分別建立隔板、加勁肋、底座及管道等模型?？紤]實(shí)際中焊縫與構(gòu)件之間的連接，模型中采用Tie接觸建立各構(gòu)件與焊縫之間的連接，進(jìn)而使得模型形成整體受力體系。為了預(yù)防集中荷載作用下管道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，本模型采用Coupling約束建立加載點(diǎn)與管道端部的約束。同時，由于該支座底板預(yù)埋與混凝土墩中，支座底板與混凝土墩間無相對位移，因此，可考慮本模型底部為固定約束。本模型中施加水平推力F=2000k N，考慮了一定的荷載冗余量，以便確保結(jié)構(gòu)安全。

3 結(jié)果分析

3.1 焊縫應(yīng)力狀態(tài)分析

本文固定支座圍焊與管道，使得結(jié)構(gòu)整體均勻受力，提高了結(jié)構(gòu)的整體承載能力。該設(shè)計(jì)隔板兩側(cè)均有焊縫存在，隔板外側(cè)焊縫受力略大于內(nèi)側(cè)焊縫，靠近支座底部處焊縫應(yīng)力大于其余部位，焊縫部位結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)如圖2所示。

圖2 焊縫處應(yīng)力狀態(tài)圖

3.2 結(jié)構(gòu)變形形態(tài)分析

本文固定支座在荷載作用下協(xié)調(diào)變形，各部位呈現(xiàn)不同的變形狀態(tài)。圖3為固定支座結(jié)構(gòu)整體沿縱向變形狀態(tài)圖。由圖3可知，沿著支座豎向往上變形逐漸增大，支座頂端變形達(dá)到最大值1.539mm。分析結(jié)果表明，在200t推力作用下，支座變形較小，結(jié)構(gòu)整體可共同受力，整體變形協(xié)調(diào)一致。

圖3 結(jié)構(gòu)整體變形形態(tài)

3.3 結(jié)構(gòu)極限承載力

為求解該熱力支墩的極限承載能力，本文采用位移加載進(jìn)行求解。加載歷程中荷載-位移曲線如圖4所示，經(jīng)加載計(jì)算當(dāng)結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)區(qū)域焊縫達(dá)到極限強(qiáng)度時，此刻該固定支墩的極限承載力F=9485k N。由圖4可知，隨著加載位移的增大，結(jié)構(gòu)荷載先線性增大隨后荷載增大趨勢減慢，逐漸趨于平緩，這是由于隨著位移的增大結(jié)構(gòu)逐漸由線彈性階段向彈塑性階段過渡所造成的。

圖4 荷載-位移歷程曲線

4 結(jié)論

本文基于ABAQUS分析平臺，建立了大推力固定支座精細(xì)化有限元分析模型，分析了大推力固定支座應(yīng)力狀態(tài)、變形形態(tài)和承載能力，得出以下結(jié)論：（1）在200t荷載作用下，焊縫大部分處于彈性階段，應(yīng)力分布較為均勻，但靠近支座底部處焊縫應(yīng)力較大，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)注意加強(qiáng)；（2）結(jié)構(gòu)整體變形較小，支座頂部變形最大，越靠近底部變形逐漸減小，頂部最大變形為1.539mm，滿足實(shí)際工程可允許變形范圍，整體變形協(xié)調(diào)一致；（3）當(dāng)焊縫達(dá)到極限強(qiáng)度時該固定支座的極限承載能力約為950t，隨著荷載繼續(xù)增大，支座底部焊縫最先失效，支座進(jìn)入破壞階段，失去承載能力。

以上分析結(jié)果表明，本工程所設(shè)計(jì)橋頭固定支座受力均勻，變形協(xié)調(diào)，具有較大的極限承載能力，滿足實(shí)際工程需求，可供相關(guān)工程參考設(shè)計(jì)。